靜音電站分體式水冷排氣消聲裝置的設計

杜 遙，肖凌宇，王東亮，魏存海，柳 璐，李 賀

（1.蘭州工業學院 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州電源車輛研究所有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

靜音電站是以柴油機作為動力裝置的發電設備，工作時的噪聲主要由氣體動力噪聲（進氣噪聲、排氣噪聲和冷卻風扇噪聲）和表面噪聲（燃燒噪聲和機械噪聲）兩部分組成。其中，進、排氣噪聲是最強的噪聲源，是降噪控制的關鍵[1]?，F有技術中，為了降低和控制靜音電站柴油機工作時的噪聲，通常在進氣道或排煙管上設置消聲器來達到降噪消聲的目的。雖然這種消聲技術被柴油發電機組廣泛采用，但是對以柴油發電機組為供電單元的封閉式靜音電站（以下簡稱靜音電站）卻很難適用，常會因為消聲器本身的輻射熱而造成靜音電站熱平衡失調，影響其工作的持續性和可靠性。因此，降低熱輻射對靜音電站工作的影響成為近年來學者們研究的重點。本文結合實際工程經驗，提出采用分體式水冷排氣消聲裝置降低靜音電站輻射熱的方法。

1 分體式水冷排氣消聲裝置

靜音電站柴油發電機組排氣系統將廢氣經排氣歧管和消聲器排入大氣，其消聲器因金屬材料的熱傳導效應致使其表面溫度幾乎接近排煙溫度，對靜音電站來說是主要的熱源，如不隔熱處理會造成溫度急劇升高，使得靜音電站因熱平衡失調而停止工作[2-3]。水冷排氣消聲器采用循環冷卻水套可降低消聲器表面溫度，能夠對靜音電站的熱平衡起到調節作用。它主要由膨脹水箱、分體式散熱器、電子冷卻風扇、水冷消聲器、水冷控制單元以及電子水泵等組成。

如圖1 所示，分體式散熱單元和水冷控制單元根據需要可布設在靜音電站箱體內的合理位置，水冷消聲器設在柴油發電機組發動機的排煙管上。其中，分體式散熱單元主要包括散熱器、膨脹水箱、電子冷卻風扇等。膨脹水箱和電子冷卻風扇通過螺接的方式固定在散熱器框架上，并通過進、出水軟管與散熱器相連，且在散熱器上設有帶倒刺的進、出水管接口。水冷消聲器進、出水管接口與散熱器的出、進水口通過進、出水軟管相連接。輸水軟管與進、出水口采用卡扣固定。在分體式散熱單元和水冷消聲器之間的連接管路上設有電子水泵，通過水冷控制單元，實現對流經電子水泵的冷卻水循環速度和流量進行控制，使其水冷消聲裝置的輻射熱控制在合理范圍，確保靜音電站持續可靠地工作。

2 水冷排氣消聲裝置的設計

2.1 水冷消聲結構的設計

水冷消聲器的設計不僅要滿足靜音電站消聲和隔熱指標要求，而且要充分考慮消聲器的最大壓降（又稱阻力損失）、安裝空間、幾何形狀、尺寸重量、消聲量以及相關設計指標等。這些要求和限制在很大程度上影響了水冷消聲器的結構設計。同時，消聲器的結構和材料也要滿足剛度和強度的要求。由于靜音電站排氣消聲器的工程設計需要考慮的因素較多[4]，本文以中小功率靜音電站水冷消聲器結構設計為例，不考慮其聲學性能、氣體動力性能、消聲量以及相關設計指標等因素的影響，只考慮靜音電站發動機的排氣消聲和降低輻射熱功能的實現，其水冷消聲結構設計方案如圖2 所示。

圖1 分體式水冷消聲裝置原理示意圖

圖2 水冷消聲器結構示意圖

靜音電站水冷消聲結構由循環冷卻水套和設在冷卻水套內的消聲器組成。在循環水套和消聲器之間設有隔熱材料，該隔熱材料與消聲器通過纏繞的方式進行固定。水冷消聲器進、出水口設置在循環冷卻水套的前、后端蓋上，循環冷卻水套與其前、后端蓋焊接后再與消聲器進、出煙管組焊。結構如圖2 所示。

2.1.1 循環冷卻水套

消聲器循環冷卻水套采用帶周向布置的肋片狀螺旋筒狀結構。靜音電站工作時，消聲器熱量的絕大部分通過水套的循環冷卻水帶走，少部分通過肋片傳導出去。為了加強熱量的傳遞，循環水套可采用導熱性能好的金屬材料，也可通過增大周向布置的肋片面積加快消聲器的散熱[3,5]。同時，為避免循環冷卻水套表面的散熱對靜音電站熱平衡的影響，循環冷卻水套表面可包敷絕熱材料。如有美觀要求，可為循環水套設計專門的隔熱罩。循環冷卻水套的結構原理如圖3所示。

2.1.2 排氣消聲器

根據中小功率靜音電站柴油機的噪聲特性，排氣消聲器采用阻抗復合型結構，其中抗性部分為穿孔管膨脹腔結構，阻性部分為直通式雙層微孔管結構，微孔管的沖孔率為1%～1.5%，消聲器整體采用普通碳鋼制作。為確保較低的排氣背壓，外形設計為圓柱狀直通式結構。

圖3 循環冷卻水套周向冷卻水道結構原理示意圖

如圖2 所示，排氣消聲器消聲腔由3 部分組成。緊靠進氣端的抗性消聲腔通過隔板將其分為兩部分，穿孔管通過隔板上的通孔連通抗性消聲腔，穿孔管通過焊接方式固定在隔板上，再通過焊接的方式與抗性消聲腔殼體焊接；阻性消聲腔焊裝在抗性消聲腔后，兩層腔體采用不同開孔率的沖孔板卷制成型。兩種消聲腔組合后，可通過改變消聲腔穿孔管直徑、長度、沖孔板的沖孔率和卷制后的直徑，獲得較為理想的消聲特性。電站工作時，經消聲器的廢氣依次通過抗性消聲腔和阻性消聲腔后，可有效消減低、高頻排氣噪聲，達到消聲降噪的目的。

2.2 配套件的選型

靜音電站水冷排氣消聲裝置散熱單元采用強制循環水冷的方式，主要包括散熱器、膨脹水箱、電子水泵和風扇等。由于這些組件的技術成熟，因此在獨立設計散熱單元時可根據電站消聲器的隔熱要求進行選配或定制。

選配時需考慮以下幾個方面。

（1）散熱器的技術參數，主要包括散熱系數、散熱面積及厚度、冷卻空氣阻力及供給量量、冷卻介質的流量及壓力、電子風扇和水泵的相關技術指標等。

（2）散熱器的布設位置。由于靜音電站多采用封閉結構，其布設位置非常關鍵。如果不考慮和電站發動機冷卻系統集成，往往需要根據有限的空間設計散熱單元的結構。

（3）散熱器冷卻液進、出水口的接口形式、安裝尺寸、散熱器的材質及干重等。

當需要考慮與靜音電站柴油發電機組發動機冷卻系統或中冷器集成時，需向發電機組散熱器廠家提供散熱器的技術指標要求，包括消聲器水套冷卻介質的流量和溫度等，同時要評估與發動機冷卻單元控制系統集成后對靜音電站功率指標的影響。

3 水冷排氣消聲裝置的控制

分體式水冷排氣消聲裝置循環冷卻水套由其控制單元完成?？刂茊卧瑟毩⒃O計，也可與發電機組發動機水冷系統控制單元集成。獨立設計時，由水冷PWM 控制器完成對冷卻液水溫和流量的控制。集成時，系統組成和控制原理如下。分體式水冷消聲裝置控制單元由傳感器、消聲系統控制模塊和執行器3部分組成。其中，傳感器包括水溫傳感器和電子水泵轉速傳感器；執行器包括靜音電站發動機點火開關、電子冷卻風扇熱敏開關、消聲器水溫控制開關、電子冷卻風扇馬達以及馬達繼電器；整個系統由靜音電站供電，發動機ECU 對消聲系統控單元的水溫信號進行反饋控制。控制單元的控制原理如圖4 所示。

圖4 水冷排氣消聲裝置的控制原理示意圖

4 水冷排氣消聲裝置的關鍵技術

4.1 水冷技術

水冷技術是靜音電站水冷排氣消聲裝置的關鍵。排氣消聲器通過循環冷卻水套不僅降低了消聲器的表面溫度，消減了發動機排氣時的基頻噪聲和諧頻噪聲，同時也減小了排氣管中廢氣的壓力和流速的脈動，降低了廢氣的體積、流量和流速。特別是對渦輪增壓式柴油機發電機組，可有效改善通氣管狀態下高背壓時的氣動性能和變背壓時的工作穩定性[3,6]。在現有水冷技術中，循環冷卻水套技術成熟，應用廣泛，是解決消聲器表面輻射熱較為有效的手段之一。

4.2 消聲器技術

消聲器的聲學理論與其設計、選用和質量檢驗手段雖已成熟，但以發動機為代表的動力設備的降噪消聲往往受多種因素的影響。在工程設計時，因發動機的功率和轉速范圍的不同，消聲器的結構形式多種多樣，但多為抗性或阻抗復合型的消聲結構，由膨脹腔、共振腔和吸音材料等組成。各消聲元件的合理組合，即可形成具有特定消聲性能的消聲器[7]。因此，在靜音電站消聲器設計時應遵循其聲學理論和設計方法，靈活組合消聲元件，合理選用消音材料，綜合運用優化設計與仿真手段，使之在給定頻率范圍內獲得滿足靜音電站消聲要求的消聲裝置。

4.3 水冷控制技術

水冷消聲裝置循環冷卻水套介質的溫度和流量控制關系到消聲器輻射熱的控制。它有兩種控制途徑：一種是將消聲器的冷卻單元與發動機或中冷器的散熱控制元單集成在一起，通過發動機的ECU 來控制；一種是采用水冷PWM 控制冷卻介質的水溫和流量。前者實施原理已作敘述，后者的控制原理如圖5 所示。

圖5 消聲器水冷PWM 控制原理示意圖

5 結 論

（1）靜音電站多采用箱體式結構，雖然有利于電站工作時的降噪消聲，但存在箱體內部熱輻射集中的問題。特別是渦輪增壓型柴油發電機組的增壓器和排氣消聲器，會因其表面輻射熱過高而造成靜音電站工作的持續性和可靠性降低，影響電站柴油發動機的使用壽命，需采取相關的解決措施。

（2）在現有技術條件下，冷卻水套是降低高溫部件輻射熱最有效的手段之一，被廣泛應用于各種動力裝置，如發動機、發電機、發熱電子器件等。因此，可將電站排氣消聲器封裝在冷卻水套中，以降低其表面輻射熱。這是目前解決靜音電站箱體內部熱量集中的最有效措施。

（3）水冷消聲及其控制技術是靜音電站水冷消聲裝置關鍵。本文在介紹排氣消聲裝置的結構設計與控制方案的同時，論述其關鍵技術。在實際工程設計時，需要綜合評價水冷方案、消聲結構的設計以及冷卻水套的控制方法，運用好現代設計手段和仿真技術，以期有效降低靜音電站箱體內部的輻射熱。